凡口鉛鋅礦盤區(qū)機械化上向中深孔充填采礦法的爆破網(wǎng)絡(luò)及爆破參數(shù)優(yōu)化分析

陳 剛

(中金嶺南凡口鉛鋅礦, 廣東韶關(guān)市 512325)

凡口鉛鋅礦盤區(qū)機械化上向中深孔充填采礦法的爆破網(wǎng)絡(luò)及爆破參數(shù)優(yōu)化分析

陳 剛

(中金嶺南凡口鉛鋅礦, 廣東韶關(guān)市 512325)

針對凡口鉛鋅礦用盤區(qū)機械化上向中深孔充填法回采間柱采場的過程中,沿用原來的爆破技術(shù)所產(chǎn)生的問題和目前企業(yè)對安全提出的新要求,對爆破網(wǎng)絡(luò)及爆破參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整,并引進光面爆破技術(shù),進一步完善了該采礦工藝。

盤區(qū)機械化上向中深孔充填采礦法;礦堆;爆破網(wǎng)絡(luò);裝藥結(jié)構(gòu);光面爆破

凡口鉛鋅礦作為較早引進盤區(qū)機械化上向中深孔充填采礦法(以下簡稱臺車爆破采礦)工藝的礦山企業(yè)之一,臺車爆破采礦應(yīng)用至今已有17 a。爆破工藝從探索到成熟,爆破網(wǎng)絡(luò)和爆破參數(shù)經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和試驗后確定下來,并在淺部主礦體應(yīng)用中取得了良好的效果。臺車爆破采礦在回采過程中機械化程度高,工藝流程集中管理,大大提高了采礦效率,降低了安全風(fēng)險。目前凡口鉛鋅礦年生產(chǎn)能力約150萬t礦石,18萬t鉛鋅金屬量。為順利完成生產(chǎn)任務(wù),生產(chǎn)組織上更側(cè)重于VCR大爆破采礦和臺車爆破采礦。經(jīng)過多年的開采,近幾年臺車爆破采場已轉(zhuǎn)移至淺部獅嶺南盤區(qū)礦體和深部礦體。

1 區(qū)域礦體及采場特征

淺部獅嶺南盤區(qū)礦體主要賦存于F3斷裂的上下盤中～上泥盆統(tǒng)碳酸鹽巖地層中,以塊狀鉛鋅礦為主,形態(tài)復(fù)雜多變,礦巖均較穩(wěn)固,f＝8～13,賦存標(biāo)度-19～-660 m,礦體埋藏較深,與壺天含水層相距較遠,受上部回采區(qū)域影響相對較小,開采技術(shù)條件較好。采場主要沿走向布置,極不規(guī)整。

深部礦體處于獅嶺背斜東翼,賦存于D3ta～D2db地層中,為塊狀黃鐵鉛鋅礦和塊狀黃鐵礦兩種類型。礦石穩(wěn)固性較好,f＝4～17,由于盤區(qū)采準(zhǔn)工程距F3斷層較遠,受其影響較小,平巷頂板受破壞較少,隨著礦體開采深度的增加,范圍的增大,深部開采的地壓也隨之增大,且礦石含硫較高,易發(fā)熱結(jié)塊。采場沿垂直礦體走向布置,貫穿209#和214#礦體,較規(guī)整,多數(shù)分東西兩礦房采場分別進行回采,以30～60 m長的采場居多。一般采場東頭較破碎,西頭礦體向西傾斜。

2 存在的問題

不同區(qū)域的礦體其地質(zhì)情況和礦石的物理力學(xué)性質(zhì)有較大差異,為進一步確?，F(xiàn)場施工安全,對爆破效果提出了一些新要求。目前主要存在的問題有拉槽區(qū)在爆破后經(jīng)常出現(xiàn)堵塞,進路口礦堆偏低,爆破后的礦巖面不平整。

采場在爆破后拉槽區(qū)出現(xiàn)堵塞,造成的直接后果有2個:一是通風(fēng)回路破壞,炮煙亂竄,特別是在深部通風(fēng)條件不佳的情況下,對作業(yè)更會造成嚴(yán)重影響;二是爆破后處理松石時高處堵塞的地方處理不到,低的地方無法處理,增加了安全難度。進路口礦堆偏低,造成采場頂板距離礦堆的空間較高,將給爆破后處理松石帶來很大難度。爆破后的礦巖面不平整,大大降低了礦巖的穩(wěn)定性,產(chǎn)生大量松石,由于采用側(cè)向爆破崩礦方式,工作面的礦堆偏低,松石處理難度增大,對爆破后的后續(xù)作業(yè)帶來極大的安全隱患,并增大了貧化。

3 解決問題的方法

采場在爆破后拉槽區(qū)出現(xiàn)堵塞,解決的方法有4種:

(1)將天井或人工拉槽區(qū)挑高至6 m以上,并增大拉槽區(qū)的寬度,保證有足夠富裕的補償空間,但這不僅增大了整個回采作業(yè)過程中的施工難度,也帶來很大的安全風(fēng)險;

(2)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù),大量爆破實踐證明,當(dāng)每排孔眼為6個時,采場孔眼排距在1.3～1.4 m最為適宜,若在原有基礎(chǔ)上增大孔網(wǎng)參數(shù),雖然可以降低拋擲力,但同時也會增加大塊產(chǎn)生的機率;

(3)調(diào)整拉槽區(qū)附近側(cè)爆區(qū)炮孔爆破網(wǎng)絡(luò),改變部分礦石拋擲方向,從而控制拉槽區(qū)礦堆高度;

(4)調(diào)整拉槽區(qū)附近側(cè)爆區(qū)的雷管段數(shù)和炮孔線裝藥系數(shù),減少礦石向拉槽區(qū)拋擲,降低拉槽區(qū)礦堆高度。

進路口礦堆偏低的解決方法有兩種:

(1)爆破后進行墊礦,使礦堆達到要求高度,這需要提前在其他作業(yè)點預(yù)留足夠礦石,大大影響了其他作業(yè)點的施工進度,并且為確保作業(yè)人員安全,對設(shè)備也提出了較高要求;

(2)采場壓頂和充填時控制好采場空高,爆破時通過調(diào)整進路口處的爆破網(wǎng)絡(luò),改變礦石拋擲方向,減小礦石向前的拋擲力,從而降低礦堆坡度,達到增加進路口處礦堆高度的效果。

爆破后礦巖面不平整的解決方法有一種,鑒于光面爆破技術(shù)在采場拉底、壓頂、巷道掘進中得以廣泛應(yīng)用,嘗試采用光面爆破技術(shù)。

4 方案選取和可行性分析

4.1 拉槽區(qū)爆破后堵塞的解決方案選取

凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦傳統(tǒng)的拉槽區(qū)附近爆破網(wǎng)絡(luò)如圖1所示,拉槽區(qū)兩側(cè)的爆區(qū)采用相同段數(shù)同時向拉槽區(qū)方向爆破,邊孔采用滯后一段爆破,在拉槽區(qū)高度一定的情況下,由于兩側(cè)爆區(qū)礦石同時向拉槽區(qū)方向拋擲,過多礦石在拉槽區(qū)處堆積,造成拉槽區(qū)出現(xiàn)堵塞。

圖1 傳統(tǒng)拉槽區(qū)附近爆破網(wǎng)絡(luò)

實踐證明,當(dāng)側(cè)爆區(qū)自由面在4 m以上時即可取得良好的爆破效果。一般規(guī)則采場,采場寬度為8 m,每排布置6個孔眼,可以考慮側(cè)爆區(qū)的中間4個孔先爆破,然后側(cè)爆區(qū)的6～8個邊孔滯后成一排進行爆破,如圖2和圖3所示,這樣,邊孔可自成一排以中間孔爆破產(chǎn)生的裂面為自由面向采場中線方向爆破。目前凡口鉛鋅礦臺車爆破采用高精度毫秒雷管起爆,1#～15#、16#～25#、26#～30#每段間隔時間分別為25,50 ms和100 ms,應(yīng)盡量縮短此區(qū)域的爆破間隔時間,可采用重段起爆的方式,使邊孔爆破的瞬間,中間部分的礦石還未形成較大拋擲距離。邊孔爆破后產(chǎn)生的礦石受到中間部分的礦石阻礙,將有很大一部分落在其下方,而中間部分礦石受到邊孔爆破后的應(yīng)力擠壓作用,大大削弱其拋擲力,從而達到降低拉槽區(qū)礦堆堆積高度的目的。

圖2 修改后拉槽區(qū)附近爆破網(wǎng)絡(luò)

圖3 修改后拉槽區(qū)附近爆破網(wǎng)絡(luò)

觀察圖2和圖3,主要區(qū)別在于中間4個孔中的邊孔是否滯后爆破。為了更好達到修改方案的預(yù)期目的,在滿足爆破效果的前提下,應(yīng)盡可能增大邊孔爆破崩礦量。圖4(a)為單孔爆破效果示意圖,W為最小抵抗線,目前使用的是乳化炸藥,孔內(nèi)為連續(xù)裝藥,可視為柱狀藥包。柱狀藥包爆破時應(yīng)力場是軸對稱的,端部裂隙為呈龜裂狀發(fā)展的半球狀,與球狀藥包類似,柱部裂隙基本上為與藥包軸線相平行和垂直的裂隙。而最小抵抗線是爆破作用的主導(dǎo)方向,裂隙最快得到發(fā)展。其附近的巖石由于抗剪和抗拉強度小于爆破應(yīng)力強度而受到破壞,從而形成如圖4(a)所示的爆破范圍[1]。圖4(b)為整排炮孔同時爆破效果示意圖。其爆破機理首先滿足單孔爆破機理,同時巖層受到爆破沖擊波作用產(chǎn)生徑向裂縫并將在相鄰炮孔的垂直平面上相互貫通,應(yīng)力波在巖層中激起的縱波和橫波,使同時起爆的炮孔之間的巖層受到多向的壓縮、拉伸和剪切力作用,相鄰炮孔藥包爆炸的應(yīng)力波相互疊加,形成反射壓應(yīng)力,使巖層產(chǎn)生縱橫交錯的應(yīng)力波切割面;隨著爆生氣體進入這些裂縫并使之?dāng)U大和延伸,將巖塊從自由面拋出,形成如圖4(b)所示的爆破區(qū)域[2]。圖4(c)為邊孔滯后爆破效果示意圖。其爆破機理和圖4 (b)一樣,但由于邊孔自由面方向發(fā)生改變,最小抵抗線方向和邊孔爆破的礦石拋擲方向也隨之發(fā)生改變,導(dǎo)致破壞區(qū)域和礦石向前的拋擲力減小,從而形成如圖4(c)所示的爆破區(qū)域。通過分析,很顯然,圖3的爆破網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于圖2,更能達到爆破效果要求。

圖4 爆破效果示意

同時調(diào)整拉槽區(qū)以東的雷管段數(shù),使拉槽區(qū)以東爆破的礦石拋擲時間滯后于拉槽區(qū)以西,當(dāng)拉槽區(qū)以西礦石在拉槽區(qū)位置堆積達到一定高度后,將有效地阻止拉槽區(qū)以東礦石的拋擲,使整個采場礦堆的最高點向東移。減小拉槽區(qū)附近側(cè)爆區(qū)4～5排孔的線裝藥系數(shù),即減少孔炸藥離孔口的高度,使孔口部分礦石在爆破作用下下壓留于原地,可進一步減少礦石向拉槽區(qū)堆積。

進路口礦堆偏低解決方案同上。

4.2 光面爆破在臺車爆破采礦中應(yīng)用

光面爆破不但可以使巖壁成型規(guī)整,減少超爆現(xiàn)象,而且不易產(chǎn)生爆震裂隙,新巖面破壞小,巖體的承載能力不下降,減少應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]。

凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦采用上向中深孔,孔徑為51 mm,孔深為3.6～6.0 m。就基本參數(shù)來看,臺車爆破采礦與光面爆破技術(shù)要求相差不大,區(qū)別在于炮孔為上向孔,裝藥施工時較難,采場工作面的前排炮孔大都為沿礦體傾向布置的傾斜炮孔,為了滿足光面爆破技術(shù)要求,可以按圖5對爆破網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)整,炮孔傾斜角度從倒數(shù)第4排進行調(diào)節(jié),保證最后兩排的傾角一致,最小抵抗線與主爆區(qū)的排距一致。光面爆破技術(shù)的另一要求是炮孔質(zhì)量,由于孔深不大,可通過加強現(xiàn)場施工管理來控制好炮孔施工精度。

影響光面裂縫形成的因素除了巖體自身特性等外,人為能夠進行調(diào)整的因素有光面爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場施工質(zhì)量等[4]。

孔間距a:一般為炮眼直徑的10～20倍,考慮采場寬度限制,可取1.1～1.3 m。

最小抵抗線W:最小抵抗線一般應(yīng)大于或等于光面爆破孔間距,可取主體爆破區(qū)域排距,W＝1.3～1.4 m。

圖5 光爆孔布置剖面

不耦合系數(shù)K:不耦合裝藥分徑向不耦合和縱向不耦合,縱向不耦合系數(shù)為空氣柱長度H與裝藥長度h之比,徑向不耦合系數(shù)為炮孔直徑D與藥卷直徑d之比,當(dāng)不耦合系數(shù)使炮孔壓力低于巖壁動抗壓強度而高于動抗拉強度時,才能獲得良好的爆破效果[5]。K可取2.0～3.0。

裝藥層數(shù)及藥量分配:當(dāng)炮孔深度l＝(1.6～2.5)W時,可將單孔藥量分成兩層裝藥;當(dāng)l＝(2.6～3.7)W時,可分成3層裝藥[5]。臺車爆破的孔深一般在3.4～4.5 m,l＝(2.4～3.4)W。由于臺車爆破采礦為上向孔,為便于裝藥和堵塞作業(yè),裝藥層數(shù)選兩層為宜?？卓谥磷钕聦铀幇亩氯L度l1應(yīng)控制在(1.1～1.2)W或等于炮孔間距a,取l1＝1.1～1.2 m;同時分層藥包彼此的中心間距a1應(yīng)滿足:20 cm≤a1≤W,取a1＝1.1～1.3 m。單孔裝藥量的分配原則是:兩層裝藥時,上層藥包等于0.4q,下層藥包0.6q。

線裝藥密度:為了控制裂隙的發(fā)育并保持爆后巖壁面的完整穩(wěn)固,在保證沿炮孔連心線破裂的前提下,盡可能少裝藥[5]。線裝藥密度可取1.3～1.7 kg/m。

經(jīng)過實踐,可采用如圖6所示的裝藥結(jié)構(gòu),先將第一層起爆雷管、預(yù)制藥包、導(dǎo)爆索和間隔竹筒用裝藥管頂至孔底,裝入約50～60 cm的乳化炸藥,再裝入一層塑料紙,防止藥包和乳化炸藥下滑。裝入第二層起爆雷管和預(yù)制藥包,最后用炮泥進行填塞。

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)示意

起爆方式:試驗和實踐證明,光爆孔采用齊發(fā)爆破裂隙表面最平整。因為齊發(fā)爆破時,炮孔間貫通裂隙較長,抑制了其他方向裂隙的發(fā)育,從而形成平整的壁面。

現(xiàn)場施工:臺車爆破采礦采用機械化裝藥,炸藥為乳化炸藥,很難實現(xiàn)孔內(nèi)徑向不耦合裝藥,因此在爆破前準(zhǔn)備時,可用現(xiàn)有的起爆藥卷進行固定,達到要求長度,也可聯(lián)系炸藥供應(yīng)商制作相應(yīng)規(guī)格的藥包。施工過程中注意光爆孔施工質(zhì)量和裝藥質(zhì)量。

5 應(yīng)用實踐

通過對多個臺車爆破采場的試驗,使用調(diào)整后的爆破網(wǎng)絡(luò)進行爆破取得了良好的爆破效果,特別是采場長度在50 m以內(nèi)時。不僅降低了拉槽區(qū)的礦堆高度,而且由于邊孔向采場中線方向爆破,更進一步降低了爆破對采場邊幫的破壞,使采場邊幫更加平整,進路口礦堆也顯著增高。光面爆破在凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦中應(yīng)用還處于不成熟階段,現(xiàn)場施工主要采用竹筒進行間隔裝藥,未考慮孔內(nèi)徑向的不耦合裝藥,且分層裝藥量也未進行嚴(yán)格控制,鑿巖時孔眼精度控制也較差,因此爆破效果甚微。

6 結(jié) 語

目前,凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦量在礦年采總礦量中占有相當(dāng)大的比例,如何確保臺車爆破采礦在新作業(yè)區(qū)域仍保持安全、高效已成為當(dāng)務(wù)之急。試驗的成功,充分證明了臺車爆破工藝中通過調(diào)節(jié)爆破網(wǎng)絡(luò)來達到控制礦堆的可行性,為解決工藝中存在的其他一些問題提供了一條思路。而光面爆破技術(shù)的引入也是很有必要的,其爆破參數(shù)和工藝還需進一步在實踐中完善。

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[5]郭進平,聶興信,等.新編爆破工程使用技術(shù)大全[M].北京:光明日報出版社,2002.

[6]呂 震,江新建.凡口鉛鋅礦礦體開采安全技術(shù)措施淺析[J].采礦技術(shù),2007,7(1):60-61.

2012-03-16)

陳 剛(1986-),男,新疆伊寧人,助理工程師,從事采礦技術(shù)管理工作,Email:349204592@qq.com。